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CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

8 Techniques de mesure des débits des fluides industriels

2 - 1 ° / Introduction :

Le transport des fluides industriel dans les conduites et les mesures de leurs débit sont nécessaires pour la plus part des opérations de la production et de la commercialisation.

Comme les fluides industriels sont corrosives ou érosives, leurs nature peut être modifiée en

causant des variations dans la composition ou dans les paramètres de ces derniers(la température, la pression ou la vitesse). Pour ces raisons les fluides influent sur les conduites et les instruments de mesure de

débits. En pratique, les débitmètres à pression différentielle sont soumis à des pressions

considérables qui peut être exercer des déformations élastiques et même des déformations

plastiques en cas où les pressions dépasse les contraintes admissibles des matériaux des débitmètres. L'objectif de ce chapitre est de mentionner les débitmètres les plus utilisés dans l'industrie et les conditions de ces installations dont le but d'assurer les bonnes performances.

2 - 2 ° / Mesure des débits :

Le débit est la quantité de matière ou de fluide, liquide ou gazeux, qui s'écoule par unité de temps. En pratique on distingue deux débits : Débit-masse ou débit massique Qm qui s'exprime en kg/s Débit-volume ou débit volumique Qv qui s'exprime en m3/s Si est la masse volumique du fluide (kg/ m3) on a la relation liant le débit-masse au débit- volume : Qm = . Qv (1 - 1) Les appareils mesurant le débit s'appellent débitmètres. Les appareils mesurant le volume de fluide (quelle que soit la durée) ou la masse écoulée s'appellent des compteurs.

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

9 Les mesures des débits des fluides industriels ont une grande importance, car elles

sont toujours présentés dans les opérations de commercialisation de ces produits soit en liquide ou en état gazeuse. Pour assurer le transport et la distribution de ces fluides sans une grande perte, des appareils de mesure de débit sont nécessaires afin de minimiser ces pertes. Les débitmètres sont classés suivant des principes très divers, certains sont des

appareils de laboratoire ( à fil chaud, à laser, à effet Doppler) assurent les mesures de petit

débit. La figure (2 - 1) présente la répartition des différents types de débitmètres dans l'industrie. Figure 2 - 1 : Répartition des débitmètres dans l'industrie (Baker1988)

17%15%15%3%

50%

Débitmètre à pression

différentielle

Débitmètre

volumétrique

Débitmètre à

Turbine

Débitmètre à mesure

de vitesse

Autres débitmètre

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

10

2 - 3 ° / Classification des principaux débitmètres :

2 - 3 - 1 ° / Débitmètres à pression différentielle :

2 - 3 - 1 - 1 ° / Principe et théorie :

Le principe est basé sur un système perturbateur statique constitué d'un organe d'étranglement ou organe déprimogène qui provoque une chute de pression dont la valeur

est fonction du débit de l'écoulement et des caractéristiques thermodynamiques du fluide à

mesurer.

A - Cas des fluides incompressibles :

La théorie de l'organe déprimogène repose sur l'application des équations de

Bernoulli et de continuité de conservation de l'énergie et de la masse. L'écoulement dans un

organe déprimogène est schématisé dans la figure (2 - 2) ; L'application des deux principes

de conservation de la masse et de l'énergie, pour un écoulement de fluide incompressible, entre les sections de l'écoulement (1) et (2) permet d'écrire :

CteSVSVQ

v 2211
(1 - 2) Cte gVZgP gVZgP22 2 2 222
1 11 (1 - 3)

Avec :

P: est la pression statique du fluide ;

Z : est la hauteur (cote) par rapport à un plan de référence ;

V : est la vitesse de l'écoulement ;

: est la masse volumique du fluide ; g : est l'accélération de la pesanteur ;

S1 : Aire de section de la conduite.

A :

L'aire de section de l'orifice A=S

2

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

11

Figure 1 - principe d'un organe déprimogène

Figure 2 - 2 : principe d'un organe déprimogène. La combinaison des équations (2) et (3) permet d'obtenir une relation pour le débit volumique Qv : U 21
2 212
2 11 PPA V VCQ v (1 - 4) C est le coefficient de décharge du débitmètre On définit le rapport d'ouverture ou rapport des diamètres = d/D (1 - 5)

Le coefficient de vitesse d'approche E :

4 2 212
11 11 V VE (1 - 6) La relation (1 - 4) fait apparaître que le signal primaire de la pression différentielle (P=P1-P2) et par conséquent les erreurs de mesure sur le débit se trouvent multipliées par (1) (2)

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

12le coefficient de vitesse d'approche E ; Donc, et afin de réduire cette erreur on doit éviter

que le coefficient ne soit proche de 1, c'est à dire V1 proche de V2. Il faut noter encore qu'on appelait coefficient de débit : Cd = C.E.

Le coefficient de décharge C dépend de la géométrie de la conduite et du débitmètre,

donc du coefficient , et du nombre de Reynolds, Re. Le nombre de Reynolds caractérise la nature du régime de l'écoulement et permet de voir si l'écoulement est laminaire ou

turbulent. Il est important de noter que les débitmètres à organe déprimogène sont beaucoup

plus adaptés pour mesurer les écoulements turbulents. Leur précision devient moins bonne au régime laminaire. Les valeurs du coefficient de décharge C des divers éléments primaires ont été obtenues par expérimentation sur banc d'essai et sont disponible dans la norme ISO 5167. Des formules empiriques telles que la formule de Stolz ou de celle de Reader- Harris/Galagher qui a été adoptée récemment par la norme ISO 5167 (1998) permettent le calcul du coefficient C.

B - Cas des fluides compressibles :

Dans le cas où le fluide est compressible, cas des gaz et de la vapeur d'eau, au passage de l'étranglement l'augmentation de la vitesse est accompagnée d'une diminution de la masse volumique avec la pression. On suppose que le fluide s'écoulant de (1) à (2) subit une transformation adiabatique, c'est à dire sans échange significatif de chaleur avec le milieu extérieur ; Ceci se traduit par la relation : teConsPtan (1 - 7) Avec est le coefficient isentropique définit comme la rapport des variations relatives de la pression et de la masse volumique dans une transformation adiabatique réversible

élémentaire (ISO 5167).

Pour les gaz parfaits : est le rapport des capacités thermiques massiques à pression et à volume constant, C'est à dire : = Cp/Cv. (1 - 8)

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13Le débit volume sera corrigé par un coefficient d'expansion :

UH 21
2 212
2.. 11 PPA V VCQ v (1 - 9) On peut facilement montrer que le débit-masse est déterminé par la relation : 12 ..2.4...PdECQ m (1 - 10) avec 1 est la masse volumique du fluide en amont de la restriction. P est la différence de pression mesurée entre les prises amont et avale. Dans le cas de fluide incompressible, le coefficient de détente = 1.

2 - 3 - 1 - 2 ° / Description technique et normative:

Les normes internationales ISO 5167 et ISO 5168 de 1980, révisées en 1995 et amendées en 1999 définissent les spécifications de construction et les conditions d'utilisation de ces débitmètres ainsi que les procédures de calcul. Les principaux types d'organes déprimogènes décrits par la norme sont : Les diaphragme ou plaque à orifice concentrique Les orifices profilés (tuyères, tubes de Venturi et les Venturi-tuyères) La figure (2 - 3 ) montre une schématisation de ces débitmètres. Figure 2 - 3 : Les principaux débitmètres à organes déprimogènes

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

14 D'autres types de débitmètres à pression différentielle non normalisés sont

disponibles :

Débitmètre à cible, Débitmètre à coude, Elément déprimogène en V, Diaphragme à

orifice à entrée conique ou en quart de cercle, Diaphragme ou plaque à orifice excentrique ou segmental. Sonde de Pitot et Sonde multi-Pitot (Sonde annubar)

Pitot-Venturi et l'Orifice intégré

L'ensemble de mesurage comprend :

Un élément primaire composé de l'organe déprimogène (diaphragme, Venturi, tuyère) et

des prises de pressions associées ; Les appareils secondaires nécessaires au mesurage (transducteurs de pression et de pression différentielle, ..). Les paramètres de base d'un élément primaire (organe déprimogène) sont : Le rapport d'ouverture qui définit la géométrie de la contraction de l'écoulement, et, Le nombre de Reynolds, Re, qui définit l'aspect dynamique de l'écoulement. b - Incertitude de mesure : Les normes permettent de déterminer les incertitudes ou les erreurs de mesure pour les organes déprimogènes ; Elles sont de l'ordre de :

2 % pour le diaphragme et la tuyère normalisés

1.5 % pour le tube de Venturi normalisé

Il est important de noter ici que ces valeurs limites de l'erreur tolérée par la norme sont obtenues dans des conditions de référence d'écoulement (écoulement établi) et de géométrie (propre).

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152 - 3 - 1 - 3 ° / Domaine d'utilisation :

Les débitmètres à organes déprimogènes sont utilisés pour la mesure des gaz et des liquides. Ces débitmètres ont connu une large utilisation dans le secteur de l'industrie pétrolière et gazière ainsi que pour la mesure de l'eau. On estime que plus de 50% du parc

de débitmètres installés sont du type à pression différentielle. Le diaphragme est le plus

utilisé ; Ce sont des systèmes qui présentent les avantages suivants

Peu coûteux,

Faciles à installer et à exploiter,

Ils permettent de mesurer de grandes quantités de fluides à haute pression, supérieurs aux débits maximaux mesurables par d'autres type de débitmètres (compteurs volumétriques, turbines etc..). Les inconvénients de ces débitmètres sont : Ils provoquent une perte de charge ou perte d'énergie massique importante : Elle peut aller jusqu'à 90% de la pression différentielle mesurée sur un diaphragme ; Le Venturi et la tuyère provoque une perte de charge beaucoup moins importante en raison de leur géométrie profilée.

Une faible dynamique de mesure.

Sensibles aux perturbations de l'écoulement (coudes, vannes, élargissements, pulsations etc..) ce qui nécessitent des conditions d'installation pénalisantes Pour les fluides visqueux tels que les produits pétroliers, l'aspect dynamique de l'écoulement constitue une considération très importante pour le choix d'un élément déprimogène. La norme ISO 5167 spécifie, pour chaque type d'élément, une limite inférieure du nombre de Reynolds. La limite supérieure du nombre de Reynolds est théoriquement () ; Mais en pratique pour des considérations techniques de pompage, la valeur de la vitesse est limitée. Le nombre de Reynolds associé est de l'ordre de 10 7 . La

figure 2 - 4 qui montre les limites d'utilisation, peut être considérée comme guide de choix

d'un débitmètre à organe déprimogène en fonction du nombre de Reynolds.

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

16 Figure 2 - 4 : Etendue du Nombre de Reynolds pour les débitmètres à organe déprimogène décrit par la norme ISO 5167.

2 - 3 - 1 - 4 ° / Différents types d'organes déprimogènes :

Les organes déprimogènes sont caractérisés par leur rapport de diamètres = d / D. Ils sont constitues par les tubes de venturi, les tuyères et les diaphragmes.

2 - 3 - 1 - 4 -1 °/ Tube de venturi :

Les tubes de venturi sont constitués d'un convergent suivi d'un divergent, ils sont

caractérisés par une faible perte de charge et ne nécessitent pas de longueur droite. Ils sont

tout particulièrement adaptés aux fluides chargés. Le venturi peut être réalisé en acier ou en

alliages divers.

Ils existe deux types de venturi :

A ) Le venturi classique :

La géométrie du venturi classique décrite par la norme internationale ISO 5167 est schématisée dur la figure (2 - 5 ). Elle consiste :

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

17

Une divergente de 7 à 15 ° dont le rôle est de guider le fluide et de réduire la perte de

charge. Un convergent de 21 ° qui constitue l'appareil déprimogène.

B ) Le venturi tuyère :

Le venturi tuyère est une tuyère minces d'un divergent, le convergent est

identique à celui de la tuyère ISA 1932, la longueur du col est de 0,3 d, le divergent est relié

au col à angle vif, l'angle totale doit être inférieure à 30°, la valeur de cette angle n'influe

pas sur le coefficient de décharge mais joue sur la perte de charge.

2 - 3 - 1 - 4 - 2 °/ Tuyère :

Elle est constituée d'un col cylindrique précédé d'un convergent, elle est devisée en deux types :

A ) la tuyère ISA 1932 :

Le convergent est d'allure torique de plusieurs rayons, le col de diamètre d est de longueur 0, ( figure 2 - 6 ).

Figure 2 - 5 : Tube de venturi classique

21
1

7° à 15°

D d d (0,50,02) d R1 R2

Sens de l'écoulement

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18B ) la tuyère à long rayon :

Elle comporte un convergent en quart d'ellipse et un col cylindrique. * Pour 0,25 0,8, on utilise la tuyère à grand rapport d'ouverture. Pour 0,20 0,5, on utilise la tuyère à petit rapport d'ouverture ( figure 2 - 7 ).

Figure 2 - 6 : Tuyère ISA 1932

Figure 2 - 7 : Tuyère à long rayon

0 ,25

0,8 0 ,25

0,5 dD Dd D d d D

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192 - 3 - 1 - 4 - 3 ° / Diaphragme :

Ils sont constitués d'une plaque percé d'un trou calibré perpendiculaire à la conduite. La version habituelle est munie d'un chanfrein sur la partie aval d'une angle qui doit être

compris entre 30 et 45° et d'une arête vive en amont de l'orifice. le diamètre intérieur d doit

être tel que soit compris entre 0,20 et 0,80 selon le type du diaphragme, l'épaisseur de la

partie cylindrique e doit être compris entre 0,005 D et 0,02 D et l'épaisseur totale E doit être

compris entre e et 0,05 D. les diaphragmes peuvent se mètre dans les deux sens de

l'écoulement, et ils doivent être symétriques et doivent comporter des arêtes vives sur les

deux faces ( figure 2 - 8 ).

2 - 3 - 2 ° / Débitmètre à turbine

2 - 3 - 2 - 1 ° / Principe et théorie :

Un axe libre de rotation porte une turbine (cas des liquides) ou une hélice (cas des

gaz) est placé au centre de la conduite où on veut mesurer le débit; Sous l'action des forces

de pression et de viscosité exercées sur les pales, l'hélice de la turbine se met à tourner à une

vitesse qui dépend du débit de l'écoulement Le débit instantané Q est proportionnel à la vitesse instantanée , tel que : Q (t) = k . (t) (1 - 11) Figure 2 - 8 : Diaphragme E e d D F

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

20 Et le volume de gaz écoulé entre les instant t1 et t2 est :

V = k.

t1 t2 . dt (1 - 12) La mesure de la vitesse de rotation de la turbine permet de déterminer le débit ou le volume du fluide dans une conduite.

2 - 3 - 2 - 2 ° / Description technique et normative:

Les normes ISO 2715 (1981) relative aux hydrocarbures liquides décrit la turbine comme un débitmètre à mesurage volumétrique. Une schématisation du principe d'un compteur à turbine est montrée sur la figure (2 - 9). Figure 2 - 9 - Schéma de principe d'un débitmètre à turbine. L'ensemble de mesurage des compteurs à turbine se composent toujours de trois organes principaux : Le capteur (souvent appelé mesureur) constitué par un rotor à pales hélicoïdales placé à l'intérieur d'un corps cylindrique ; Un Transducteur (appelé aussi sortie ou émetteur) transformant la rotation du rotor en un signal électrique exploitable par l'indicateur ; Un indicateur de débit ou de volume du liquide en circulation.

CHAPITRE 2 Technique de mesure des débits des fluides industriels

21 Il existe de nombreux modèles de mesureur qui différent selon le constructeur,

l'importance du débit maximal à mesurer, la nature du fluide à mesurer, le mode de raccordement à la conduite etc... ; On peut toutefois distinguer les principaux organes constitutifs d'un mesureur, d'après la norme internationale ISO 2715 : - Un corps tubulaire - Un rotor, coaxial au corps, et muni d'un bulbe central important, - Des paliers ou coussinets de support pour l'arbre du rotor, - Une chemise enveloppant le corps, - Des déflecteurs amont et aval (redresseur ou tranquiliseur d'écoulement). Il est important de noter ici le rôle du bulbe central de la turbine qui est prévu pour

accélérer l'écoulent de fluide au niveau des pales par effet Venturi. Cette accélération de

l'écoulement génère une énergie cinétique suffisante pour minimiser les forces de frottement solide et fluide au niveau des pales. Le tranquiliseur d'écoulement permet de réduire les perturbations spatiales de la vitesse amont sur la réponse de la turbine. Figure 2 - 10 - Nomenclature des parties d'un compteur à turbine (D'après l'ISO 2715).

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22Suivant le type de la turbine, la mesure est obtenue :

Soit par comptage d'impulsions électriques : On utilise un détecteur électromagnétique (capteur de proximité) constitué d'une bobine fixe soumise à des variations de flux magnétique au passage de chaque pale de la turbine. Il en résulte une f.e.m induite dont la fréquence est un multiple de la vitesse de rotation de la turbine. Un compteur d'impulsions ou un fréquencemètre peuvent être utilisés pour donner une indication sur le volume total ayant traversé la turbine. Soit au moyen d'un compteur mécanique relié par un jeu d'engrenages à l'axe de la turbine : l'indication est alors directement donnée en valeur de volume ayant traversé la turbine.

2 - 3 - 2 - 3 ° / Caractéristiques métrologiques :

Les débitmètres à turbines sont en général très précis et permettent d'obtenir une

limite d'exactitude de 0.25% à 1% sur la valeur mesurée. Leur étendue de mesure est importante; Les limites de précision citées ci-dessus ne sont

valables que dans un intervalle de débit bien déterminé. Aux faibles débits, l'inertie du

rotor et aux débits forts la résistance à l'usure des paliers engendrent des erreurs importantes

sur le coefficient k. On définit ainsi une plage de débit comprise entre Q min et Q max où la valeur de k ne s'écarte de sa valeur moyenne. Le coefficient k est appelé coefficient du mesureur est l'une des caractéristiques les plus importante pour un débitmètre turbine. Il doit être maintenu constant pour tout le

domaine d'utilisation du débitmètre. Ce coefficient qui détermine la précision de mesure du

débit Qv est influencé par :

Le débit,

La viscosité du fluide,

La température.

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232 - 3 - 2 - 4 ° / Domaines d'utilisation :

Les turbines peuvent couvrir des mesures dans une plage de débit importante : de débit allant de 0.3 m 3 /h à 15.000 m 3 /h pour les liquides et jusqu'à 30.000 m 3 /h pour les gaz et ; pour des pressions absolues allant de 1 à 70 bar et ; des températures de fluide allant de -20 à + 50°C ; La gamme de diamètres couverte peut aller de 5 mm à 660 mm ; Au-delà de ces

diamètres, on installe des débitmètres rétractables (dits aussi télescopiques ou à insertion),

disponible sur le marché. Ce dernier est constitué d'une petite hélice qui est placée à un

emplacement de la section de la conduite où la valeur de la vitesse est connue, exemple

y=3/4 R où la vitesse est égale à la vitesse moyenne de l'écoulement. La précision de ces

instrument est moindre que les turbine ordinaire. Une contrainte supplémentaire d'utilisation de la turbine réside dans le fait que

l'accélération de la vitesse dans la turbine est accompagnée d'une diminution de la pression

(suite à l'équation de Bernoulli) ; Si la pression diminue en dessous de la pression de vapeur

saturante pv , il y'a risque de cavitation qui peut engendrer une détérioration des pales de la

turbine et une net erreur de mesure importante. La norme ISO2715, préconise que la pression absolue, Pa, à l'aval de la turbine (à une distance de 4 fois le diamètre de la conduite) soit :

Pa > 2.P + 1.25 pv

Où P est la chute de pression à travers le mesureur pour le débit maximal de l'installation.

pv est la pression de vapeur saturante du liquide à la température maximale de fonctionnement. La précision de ces instruments de mesure peut se dégrader, donc, à cause de l'usurequotesdbs_dbs28.pdfusesText_34

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